EP4372435A1 - Puce photonique et système d'imagerie infrarouge utilisant une telle puce photonique - Google Patents

Puce photonique et système d'imagerie infrarouge utilisant une telle puce photonique Download PDF

Info

Publication number
EP4372435A1
EP4372435A1 EP23210351.5A EP23210351A EP4372435A1 EP 4372435 A1 EP4372435 A1 EP 4372435A1 EP 23210351 A EP23210351 A EP 23210351A EP 4372435 A1 EP4372435 A1 EP 4372435A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
photonic chip
waveguides
light beams
etching
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP23210351.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP4372435B1 (fr
Inventor
Mathieu Dupoy
Cyrielle MONPEURT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP4372435A1 publication Critical patent/EP4372435A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP4372435B1 publication Critical patent/EP4372435B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/34—Optical coupling means utilising prism or grating
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0218—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using optical fibers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0256—Compact construction
    • G01J3/0259—Monolithic
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/10—Arrangements of light sources specially adapted for spectrometry or colorimetry
    • G01J3/108—Arrangements of light sources specially adapted for spectrometry or colorimetry for measurement in the infrared range
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating
    • G01J3/1895—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating using fiber Bragg gratings or gratings integrated in a waveguide
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/102—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type for infrared and ultraviolet radiation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/12004—Combinations of two or more optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/124—Geodesic lenses or integrated gratings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method
    • G02B6/136—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by etching
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12133—Functions
    • G02B2006/12138—Sensor

Definitions

  • the present invention relates to a photonic chip and an infrared imaging system using such a photonic chip. More precisely, the photonic chip is intended to illuminate a scene in the mid-infrared spectral domain, for multispectral infrared spectroscopy applications.
  • the document EP4016054 describes an optical component integrated on silicon for attenuated total reflection imaging for infrared spectroscopy applications.
  • the optical component comprises a support substrate and at least two waveguides superimposed one on the other in two parallel planes so that each waveguide is dedicated to receiving and sending a length of determined and different wave.
  • a light source sends light of a predetermined wavelength.
  • the waveguides include an associated diffraction grating for extracting light from the waveguide in order to illuminate a sample positioned on an upper face of the substrate.
  • the light extracted from the guide is directed towards the surface of the substrate at the sample.
  • the light is reflected completely at the interface between the surface of the substrate and the sample.
  • the reflected light is directed towards a matrix detector capable of analyzing the light it receives to obtain information about the sample.
  • a first disadvantage of this document is that the component described is only suitable for attenuated total reflection. However, in certain cases, other measurement methods are to be preferred, for example reflection, transmission and/or transflection measurements.
  • a second disadvantage of this document is that the superimposed arrangement of the waveguides can cause an integration problem, or even manufacturing difficulties.
  • the document EP4016053 describes an optical component integrated on silicon for interferometric imaging in the mid-infrared.
  • the component comprises an arm comprising a waveguide with which a diffraction grating is associated and a second arm also comprising a waveguide with which a diffraction grating is associated.
  • the waveguides are in the same plane and are configured to extract light out of their respective arms towards respectively a reflecting surface and a sample surface to be analyzed located between the two arms. In this way, a phase image of the sample can be made from the light beam having interacted with the sample and a light beam not having interacted with the sample but having been reflected by the reflecting surface.
  • a disadvantage of the component described in this document is that it is specifically adapted to the interferometry of two beams of the same wavelength for the analysis of a sample.
  • a second disadvantage is that it requires the joint use of two samples, one for each arm, to perform the analysis.
  • the present invention seeks to at least partially resolve the problems mentioned above.
  • the photonic chip according to the invention is configured, on the one hand, to illuminate a scene by means of light beams of different wavelengths.
  • the distribution of the waveguides around the etching of the substrate and in the same plane facilitates the manufacturing and integration of the photonic chip into a larger lighting system.
  • the specific configuration of the photonic chip allows the light beam extracted from the substrate to reflect on the scene, which is located at the level of the substrate engraving. The light beam reflected by the scene can then be analyzed.
  • the chip further comprises an input waveguide into which all the light beams are intended to be injected, the photonic chip further comprising at least one demultiplexer configured to demultiplex the light beams at the output of the waveguide. input so as to inject at least one light beam into at least two waveguides of the plurality of waveguides.
  • the number of waveguides can be limited while the number of different wavelengths can be increased.
  • the chip is therefore an efficient and compact system.
  • the photonic chip has a thickness equal to a working distance between the imaging module and the scene.
  • the photonic chip therefore serves as a spacer.
  • the working distance between the imaging module and the scene is of the same order of magnitude as a length of a surface to be illuminated of the scene, the working distance being between 100 ⁇ m and 1.5mm.
  • Figures 1A and 1B illustrate a photonic chip 1 according to an exemplary embodiment and the Figures 2A and 2B illustrate a photonic chip 1 according to another exemplary embodiment.
  • the photonic chip 1 is a photonic lighting chip, intended to combine light beams belonging to the infrared domain for lighting a scene.
  • the term infrared used in the text refers to a part of the light spectrum belonging to a spectral band ranging from 0.78 ⁇ m to 50 ⁇ m, and preferably ranging from 2 ⁇ m to 12 ⁇ m.
  • the photonic chip 1 comprises a substrate 10.
  • the substrate 10 is a crystalline silicon substrate.
  • the thickness e of the substrate is advantageously between 100 ⁇ m and 1.5 mm, as will be explained below. To obtain the desired thickness e, the substrate can be thinned.
  • the substrate 10 has at least one engraving 100 forming an engraving 100 of the substrate 10, where the light is extracted from the photonic chip 1.
  • the scene to be illuminated is located at the level of the engraving 100 of the substrate 10.
  • the etching 100 can be obtained by anisotropic etching of the substrate.
  • the engraving 100 forms a parallelogram, advantageously a square, a rectangle or an octagon, in a top view ( Figure 1A ).
  • the engraving 100 of the substrate corresponds to the square seen from above, formed by the engravings 100 of the substrate 10.
  • the engraving 100 is obtained by an isotropic etching of the substrate, so that, seen from above, the engraving 100 has the shape of a circle.
  • the engraving 100 of the substrate corresponds to the circle seen from above, formed by the engravings 100 of the substrate 10.
  • the scene to be illuminated is located at the level of the engraving 100 of the substrate, formed by the engravings 100.
  • the photonic chip also comprises at least one waveguide 11, and preferably a plurality of waveguides 11.
  • the waveguides 11 are linear waveguides capable of guiding a light beam F propagating in said waveguides 11.
  • the waveguides 11 are formed by a core 110 in which the light beam F circulates and a sheath 111, ensuring a desired optical index difference between the core and the medium surrounding the core.
  • each guide comprises a core 110 interposed between two sheaths 111. The light beam F is guided in the core 110 by successive reflections at the interfaces between the core 110 and each of the sheaths 111 between which the core 110 is interspersed.
  • the core 110 of the waveguides 11 are made of germanium and the sheaths 111 are made of silicon germanium.
  • the waveguides 11 are registered on the substrate 10.
  • the waveguides 11 are configured to guide a single light beam of a particular wavelength.
  • at least two waveguides 11 among the plurality of waveguides are configured to respectively guide light beams of different wavelengths, so that the photonic chip 1 is adapted for multispectral lighting in the 'infrared.
  • At least one waveguide 11 or a majority of waveguides 11 or all the waveguides 11, are capable of guide several light beams F.
  • a waveguide 11 can be capable of guiding two light beams of identical wavelength or of different wavelengths, if the wavelengths of the light beams propagating in the guide are close. In one example, two wavelengths are considered close if their difference is less than or equal to 0.3 ⁇ m.
  • the waveguides 11 are single-mode for all the wavelengths of the light beams F considered. More precisely, the waveguides 11 are single-mode at the smallest wavelength considered.
  • each waveguide a diffraction grating is formed whose pitch can be constant or variable, depending on the type of engraving.
  • the pitch is variable to make it possible to obtain a collimated beam at the output of the substrate despite a concave profile of the etching.
  • a constant pitch ensures collimation of the beam because the profile of the engraving is then straight.
  • the waveguides 11 have an entry zone 112 and an exit zone 113.
  • the waveguides 11 receive a light beam at their entrance 112.
  • a light beam is injected from a illumination module comprising at least one light source, which will be described in more detail below.
  • the light beam F then propagates in the waveguide as described above to the exit zone 113 at which the light beam will be extracted out of the waveguide 11.
  • the exit zone of the waveguides corresponds to the diffraction grating associated with the waveguide considered, the diffraction grating making it possible to extract the light beam out of the waveguide, towards the etching of the substrate.
  • the thickness of all the waveguides 11 of the photonic chip 1 can have the same thickness, for ease of manufacturing.
  • the thickness of the waveguides 11 can be between 500nm and 3 ⁇ m.
  • the entry and/or exit zones 112, 113 of the waveguides 11 may have, in top view, a rectangular, prismic or adiabatic parallelepiped shape in order to facilitate the injection of light into the guide. the wave or its extraction.
  • There width of a waveguide 11 can therefore be variable at the level of its entry and/or exit zones 112, 113.
  • the width of the waveguide 11 in its narrowest part is between 500nm and 3 ⁇ m.
  • the width of the waveguide 11 is between the value of the narrowest width (for example 500nm) and the size of the area to be illuminated.
  • the waveguides 11 extend linearly in the same plane, intended to be parallel to a plane P formed by the etched face of the substrate.
  • plane P formed by the etched face is meant the plane face of the substrate in which the etching was carried out.
  • the engraving itself is not taken into account in the definition of the plane P formed by the engraved face of the substrate.
  • the diffraction gratings of each waveguide 11 are positioned around the etching of the substrate 10 according to a plane of symmetry of the substrate 10, said plane of symmetry being perpendicular to the plane formed by the etched face of the substrate.
  • the waveguides 11 are positioned entirely symmetrically with respect to the etching 100 of the substrate. In other words, the waveguides 11 extend symmetrically from their input zone 112 to their output zone 113.
  • FIG. 3 illustrates a variant embodiment, on which a photonic chip 1 is illustrated in top view.
  • the photonic chip 1 includes an etching 100 obtained by an anisotropic etching of the substrate, although the alternative embodiment of the Figure 3 is also applicable to the case where the etching is obtained by isotropic etching of the substrate.
  • the photonic chip comprises, in addition to the plurality of waveguides 11, an input waveguide 13.
  • This input waveguide 13 is intended to receive the plurality of light beams F.
  • the photonic chip comprises a demultiplexer 14, associated with the input waveguide 13.
  • the demultiplexer 14 is configured to inject at least one light beam into each of the waveguides 11 of the plurality of waveguides 11 which is attached to it. associated. All the waveguides 11 extend in the same plane, intended to be parallel to the plane (P) of the engraved face of the substrate.
  • the diffraction gratings of the waveguides are positioned around the etching of the substrate, according to a plane of symmetry of the etching perpendicular to the plane (P) formed by the etched face of the substrate.
  • the number of waveguides 11 is equal to the number of wavelengths of the wavelength range considered.
  • at least one waveguide 11 can be associated with two different wavelengths if they are close, for example if the difference in wavelengths is less than or equal to 0.3 ⁇ m.
  • the input waveguide 13 is single-mode for the smallest wavelength considered and, therefore, for the entire range of wavelengths considered.
  • the thickness of the input waveguide 13 and the plurality of waveguides 11 is the same, in order to facilitate the manufacturing of the photonic chip 1.
  • the waveguide input 13 can be of rectangular or prism parallelepiped shape or of adiabatic shape to facilitate the injection of the light beams into the input waveguide 13.
  • the demultiplexer 14 can be of the AWG type (“Arrayed Waveguide Grating”, Network of waveguides in network in French), of the PCG type (“Planar Concave Grating”, Planar concave network in French), of the MZI type (“Mach -Zehnder Interferometer”, Mach-Zehnder Interferometer in French) or MMI type ("MultiModal interference coupler", Multimode interference coupler in French).
  • each waveguide 11 is associated with a diffraction grating 12 allowing the extraction of light from the associated waveguide 11.
  • Each diffraction grating 12 is optimized for a particular wavelength.
  • the diffraction gratings 12 have pitches 120 which can be constant or variable.
  • the order of magnitude of the steps 120 of the diffraction gratings 12 is between one micron and a few microns.
  • the steps 120 are chosen to allow the extraction of the light beam F from the waveguide 11 associated with the diffraction grating 12 considered.
  • the output zones 113 of the cores 110 of the waveguides 11 correspond to the zones where the diffraction gratings 12 are provided.
  • the light beams extracted by the diffraction gratings 12 from the waveguides 11 are directed towards the engraving 100 of the substrate 10 so as to reach the scene to be illuminated.
  • the critical angle beyond which the light beams resulting from the refraction of the refraction gratings 12 will undergo the phenomenon of total internal reflection and cannot effectively exit the substrate 10 and illuminate the scene is approximately 17° in the wavelength range considered, silicon being very poorly dispersive in the infrared.
  • the light beams resulting from the diffraction of the gratings must be included in an angle cone of ⁇ 17° relative to the normal to the silicon/air diopter.
  • the light beams extracted by the diffraction gratings 12 propagate equally in two opposite directions, towards the substrate 10 and towards the upper sheath 111. Consequently, advantageously, if the extraction angle is greater than the critical angle of 17° or if the etched face of the substrate 10 is metallized, the thickness of the sheath 111 greater than the level of the exit zone 113 of the core 110 is determined so as to obtain, at the wavelength of use, constructive interference between the light beam extracted from the upper sheath 111 and the light beam resulting from the reflection on the engraved face of the substrate 10.
  • the etching angle of the substrate in the case where the etching is obtained by anisotropic etching of the substrate is determined by the crystal planes of the silicon forming the substrate 10.
  • the etching can be done on the ⁇ 111 ⁇ crystal planes using a ⁇ 100 ⁇ substrate and the etching angle is then equal to 54.74°.
  • the engraving angle can be equal to 45° using a ⁇ 100 ⁇ substrate.
  • the pitch 120 of the diffraction gratings 12 can then be advantageously constant and chosen so that at the wavelength of use the extraction angle after refraction is equal to the desired angle of incidence on the scene at illuminate which is intended to be at the level of the etching of the substrate, see figure 4 .
  • ⁇ is the operating wavelength or the median operating wavelength
  • neff is the effective index of the mode at wavelength ⁇
  • nSiGe is the index of the 111 cladding in Silicon Germanium
  • ⁇ SiGe is the extraction angle considered in Silicon Germanium.
  • the length of the diffraction gratings 12 depends on the characteristic length of the surface to be illuminated and the extraction angle ⁇ air.
  • the length of the diffraction gratings 12 is equal to the characteristic length of the surface of the scene to be illuminated.
  • the sides of the etching 100 obtained by anisotropic etching of the substrate can be anti-reflective treated to limit Fresnel losses at the Silicon/air interface.
  • the anti-reflective treatment applied is for example a deposit of a thin layer of ZnS.
  • the anti-reflection is optimized for a particular wavelength of the operating wavelength range, for example the median operating wavelength.
  • the thickness of the anti-reflective layer is for example equal to a quarter of the median operating wavelength, typically between 1 and 3 ⁇ m.
  • the profile of the engraving 100 visible on the Figure 2B is curved, concave and divergent.
  • the profile is not completely circular because the 100 engraving is more effective in the vertical direction than in the horizontal direction.
  • the pitch 120 of the diffraction gratings 12 is not constant and the extraction angle ⁇ SiGe is not constant either, in order to obtain a collimated light beam outside the substrate 10 while taking account of the concave diopter of the engraved face, acting as a divergent lens.
  • the pitch 120 of the gratings 12 is chosen such that at the wavelength of use and at each pattern of the diffraction gratings 12, the extraction angle after refraction is equal to the desired angle of incidence on stage.
  • the variable step 120 is then chosen using the law of first order networks.
  • the length of the diffraction gratings 12 depends on the characteristic length of the surface of the scene to be illuminated, the extraction angle ⁇ air and the profile of the engraving 100 when it is obtained by an isotropic etching of the substrate.
  • the order of magnitude of the variable pitch 120 of the networks 12 for the wavelengths considered is the micron, or even a few microns.
  • the filling factor is determined so as to homogenize the illumination on the scene by compensating the exponential law of the Beer-Lambert principle.
  • the filling factor is chosen to increase as a function of the position of the pattern of the gratings 12, in the direction of light propagation.
  • the sides of this engraving 100 can be anti-reflective treated to limit Fresnel losses at the interface of the silicon substrate and the air.
  • the anti-reflective treatment applied is for example a deposit of a thin layer of ZnS.
  • the anti-reflection is optimized for a particular wavelength of the operating wavelength range, for example the median operating wavelength.
  • the thickness of the anti-reflective layer is for example equal to a quarter of the median operating wavelength, typically between 1 and 3 ⁇ m.
  • FIG. 4 illustrates an infrared imaging system 2 comprising a photonic chip 1 as described above.
  • the photonic chip illustrated includes an etching 100 formed by an anisotropic etching of the substrate, although all the embodiments described above are applicable to system 2.
  • System 2 makes it possible to image a surface of a scene 20.
  • the System 2 comprises at least one illumination module sending light beams F in the infrared domain in the wavelength range considered (between 2 ⁇ m and 12 ⁇ m).
  • the illumination module comprises at least one light source 21, and advantageously a plurality of light sources, each capable of emitting at least one light beam.
  • the light sources 21 can be quantum cascade lasers (QCL), interband cascade lasers (ICL), with external or internal cavity. At least two light beams have different wavelengths, enabling multispectral application.
  • At least one light beam injected per waveguide 11 there is, advantageously, at least one light beam injected per waveguide 11.
  • several light beams can be injected into a waveguide if their respective wavelengths are close.
  • two wavelengths are considered close if their difference is less than or equal to 0.3 ⁇ m.
  • the system 2 further comprises an infrared imaging module 22.
  • the module 22 may comprise a retina, for example an array of infrared photodetectors such as an array of semiconductor photodiodes or an array of microbolometers.
  • the lateral dimensions of module 22 are of the order of a millimeter or a few millimeters.
  • the module 22 is advantageously located at a short working distance, WD, between 100 ⁇ m and 1.5mm, so as to produce an image of the scene to be illuminated 20, without a lens or other optical imaging system.
  • the working distance WD is defined as the distance between scene 20 and module 22.
  • the photonic chip 1 as described makes it possible to combine the light beams coming from the light sources 21 and to bring them towards the scene 20 to illuminate it homogeneously on its surface.
  • the surface of the scene 20 to be illuminated is of the order of magnitude of the lateral dimensions of the imaging module 22, i.e. of the order of a millimeter or a few millimeters.
  • the photonic chip 1 is located between the scene 20 and the module 22.
  • the surface to be illuminated of the scene 20 is more particularly located at the level of the engraving 100 of the substrate 10 of the photonic chip 1.
  • the thickness of the photonic chip in the system 2 illustrated is equal to the working distance WD, so that the photonic chip 1 is able to serve as a spacer between the imaging module 22 and the scene 20.
  • a crystalline silicon substrate is provided that can be thinned to achieve the desired WD working distance.
  • Epitaxies in Silicon Germanium, for a first sheath 111, and in Germanium, for the core 110, are carried out. Mechanical-chemical polishing can then be carried out. Then, a partial anisotropic etching of the Germanium is carried out to obtain the diffraction gratings 12.
  • An epitaxy of Silicon Germanium is then carried out to obtain the second cladding 111 surrounding the core 110.
  • An anisotropic etching of the stack of the claddings 111 and the core 110 is achieved. The general stack is turned over, then an anisotropic or isotropic etching of the silicon substrate 10 is carried out.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

Une puce photonique pour l'éclairage d'une scène, la puce photonique comprend :
- un substrat (10) comprenant une face avec une gravure (100),
- des guides d'onde s'étendant parallèlement à un plan formé par la face gravée du substrat (10), configurés pour guider un faisceau lumineux,
- des réseaux de diffraction (12), respectivement formés dans un des guides d'onde (11) et configurés pour extraire, hors du guide d'onde (11) dans lequel il est formé et vers la gravure (100) du substrat (10), le faisceau lumineux,

au moins deux guides d'onde étant configurés pour recevoir des faisceaux lumineux de longueurs d'onde différentes,
et dans laquelle la gravure (100) du substrat (10) est configurée pour extraire les faisceaux lumineux hors du substrat (10), vers la scène à éclairer, ladite scène se trouvant contre la face gravée du substrat (10) et au niveau de la gravure (100) du substrat (10).

Description

    DOMAINE DE L'INVENTION
  • La présente invention se rapporte à une puce photonique et à un système d'imagerie infrarouge utilisant une telle puce photonique. Plus précisément, la puce photonique est destinée à éclairer une scène dans le domaine spectral du moyen infrarouge, pour des applications de spectroscopie infrarouge multispectrale.
    • ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE
  • Dans le domaine des puces photoniques et des systèmes d'imagerie dans le moyen infrarouge, le document EP4016054 décrit un composant optique intégré sur silicium pour de l'imagerie par réflexion totale atténuée pour des applications de spectroscopie infrarouge. Le composant optique comporte un substrat d'appui et au moins deux guides d'onde superposés l'un sur l'autre selon deux plans parallèles afin que chaque guide d'onde soit dédié à la réception et à l'envoi d'une longueur d'onde déterminée et différente. Pour chaque guide d'onde, une source lumineuse envoie de la lumière d'une longueur d'onde prédéterminée. Les guides d'onde comprennent un réseau de diffraction associé permettant d'extraire la lumière hors du guide d'onde en vue d'éclairer un échantillon positionné sur une face supérieure du substrat. La lumière extraite hors du guide est dirigée vers la surface du substrat au niveau de l'échantillon. La lumière est réfléchie totalement à l'interface entre la surface du substrat et l'échantillon. La lumière réfléchie est dirigée vers un détecteur matriciel apte à analyser la lumière qu'il reçoit pour obtenir des informations sur l'échantillon.
  • Un premier inconvénient de ce document est que le composant décrit est adapté uniquement à la réflexion totale atténuée. Or, dans certains cas, d'autres modalités de mesures sont à privilégier, par exemple des mesures en réflexion, transmission et/ou transflexion. Un second inconvénient de ce document est que la disposition superposée des guides d'onde peut entraîner un problème d'intégration, voire des difficultés de fabrication.
  • Le document EP4016053 décrit un composant optique intégré sur silicium pour de l'imagerie interférométrique dans le moyen infrarouge. Le composant comprend un bras comprenant un guide d'onde auquel est associé un réseau de diffraction et un second bras comprenant également un guide d'onde auquel est associé un réseau de diffraction. Les guides d'onde sont dans un même plan et sont configurés pour extraire de la lumière hors de leur bras respectif vers respectivement une surface réfléchissante et une surface d'échantillon à analyser situées entre les deux bras. De cette manière, une image de phase de l'échantillon peut être effectuée à partir du faisceau lumineux ayant interagi avec l'échantillon et un faisceau lumineux n'ayant pas interagi avec l'échantillon mais ayant été réfléchi par la surface réfléchissante.
  • Un désavantage du composant décrit dans ce document est qu'il est spécifiquement adapté à l'interférométrie de deux faisceaux de même longueur d'onde pour l'analyse d'un échantillon. Un second désavantage est qu'il nécessite l'utilisation conjointe de deux échantillons, un pour chaque bras, pour effectuer l'analyse.
  • La présente invention cherche à résoudre au moins partiellement les problèmes mentionnés ci-dessus.
    • RÉSUMÉ DE L'INVENTION
  • Ainsi, l'invention se rapporte à une puce photonique pour l'éclairage d'une scène, la puce photonique comprenant:
    • un substrat comprenant une face avec une gravure,
    • une pluralité de guides d'onde s'étendant parallèlement à un plan formé par la face gravée du substrat, chaque guide d'onde étant configuré pour guider au moins un faisceau lumineux,
    • une pluralité de réseaux de diffraction, chaque réseau de diffraction étant respectivement formé dans un guide d'onde de la pluralité de guides d'onde et chaque réseau de diffraction étant configuré pour extraire, hors du guide d'onde dans lequel il est formé et vers la gravure du substrat, le faisceau lumineux se propageant dans ledit guide d'onde, au moins deux guides d'onde étant configurés pour recevoir des faisceaux lumineux de longueurs d'onde différentes, et dans laquelle la gravure du substrat est configurée pour extraire les faisceaux lumineux hors du substrat, vers la scène à éclairer, ladite scène se trouvant contre la face gravée du substrat et au niveau de la gravure du substrat.
  • Ainsi, la puce photonique selon l'invention est configurée, d'une part, pour éclairer une scène au moyen de faisceaux lumineux de différentes longueurs d'onde. De plus, la répartition des guides d'onde autour de la gravure du substrat et dans un même plan facilite la fabrication et l'intégration de la puce photonique dans un système d'éclairage plus large. Enfin, la configuration spécifique de la puce photonique permet au faisceau lumineux extrait du substrat de se réfléchir sur la scène, qui se trouve au niveau de la gravure du substrat. Le faisceau lumineux réfléchi par la scène peut ensuite être analysé.
  • L'invention se rapporte également à un système d'imagerie comprenant :
    • ∘ une puce photonique selon l'une des revendications précédentes,
    • ∘ au moins un module d'illumination configuré pour émettre une pluralité de faisceaux lumineux appartenant, dans laquelle au moins deux faisceaux lumineux parmi la pluralité de faisceaux lumineux ont des longueurs d'onde différentes, les faisceaux lumineux étant injectés dans les guides d'onde de la puce photonique,
    • ∘ une scène, ladite scène se trouvant au niveau de la gravure du substrat, et
    • ∘ un module d'imagerie.
  • Selon différents aspects, il est possible de prévoir l'une et/ou l'autre des caractéristiques ci-dessous prises seules ou en combinaison :
    • la gravure du substrat est configurée pour être formée par une gravure isotrope du substrat, de sorte que la gravure forme un cercle selon une vue de dessus du substrat.
    • la gravure du substrat est configurée pour être formée par une gravure anisotrope du substrat, de sorte que ladite gravure du substrat forme un polygone selon une vue de dessus du substrat.
    • chaque réseau de diffraction est positionné autour de la gravure du substrat selon un plan de symétrie dudit substrat, ledit plan de symétrie étant perpendiculaire au plan formé par la face gravée du substrat.
    • Il en résulte un éclairage homogène de la scène. De plus, considérant la gravure isotrope qui a une forme de cercle vu de haut, un très grand nombre de guides d'onde et de faisceaux lumineux peut être envisagé du fait de la symétrie centrale d'une telle figure géométrique.
  • La puce comprend en outre un guide d'onde d'entrée dans lequel tous les faisceaux lumineux sont destinés à être injectés, la puce photonique comprenant en outre au moins un démultiplexeur configuré pour démultiplexer les faisceaux lumineux en sortie du guide d'onde d'entrée de manière à injecter au moins un faisceau lumineux dans au moins deux guide d'onde de la pluralité de guides d'onde.
  • Cela permet de ne pouvoir utiliser qu'un module d'éclairage émettant les faisceaux lumineux, ce qui est avantageux dans le cas où la puce photonique est destinée à être utilisée dans le cas d'un système de taille réduite.
  • La puce comprend en outre une pluralité de guides d'onde d'entrée dans chacun desquels une partie des faisceaux lumineux est destinée à être injectés, la puce photonique comprenant en outre autant de démultiplexeurs que de guides d'onde d'entrée, chaque démultiplexeur étant associé à un guide d'onde d'entrée, les démultiplexeurs étant configurés pour démultiplexer les faisceaux lumineux en sortie du guide d'onde d'entrée de manière à injecter au moins un faisceau lumineux dans des guides d'onde de la pluralité de guides d'onde.
    • les guides d'onde sont destinés à recevoir des faisceaux lumineux appartenant au domaine du moyen-infrarouge.
    • au moins un guide d'onde parmi la pluralité de guides d'onde est configuré pour recevoir au moins deux faisceaux lumineux de longueurs d'onde différentes.
  • Le nombre de guides d'onde peut être limité tandis que le nombre de longueurs d'onde différentes peut être augmenté. La puce est donc un système efficace et compact.
    la puce photonique est d'une épaisseur égale à une distance de travail entre le module d'imagerie et la scène.
  • La puce photonique sert donc d'entretoise.
    la distance de travail entre le module d'imagerie et la scène est du même ordre de grandeur qu'une longueur d'une surface à éclairer de la scène, la distance de travail étant comprise entre 1 00µm et 1,5mm.
  • Il n'y a pas besoin de dispositif optique supplémentaire tel qu'une lentille.
  • les faisceaux lumineux appartiennent au domaine de l'infrarouge.
    • BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
  • Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ci-dessous par référence aux dessins, décrits brièvement ci-dessous :
    • [Fig. 1A] est une vue de dessus d'une puce photonique selon une réalisation.
    • [Fig. 1B] est une vue en coupe de la puce photonique de la figure 1A selon l'axe AA'.
    • [Fig. 2A] est une vue de dessus d'une puce photonique selon une autre réalisation.
    • [Fig. 2B] est une vue en coupe de la puce photonique de la figure 2A selon l'axe AA'.
    • [Fig. 3] représente un autre mode de réalisation d'une puce photonique,
    • [Fig. 4] est une vue générale d'un système d'imagerie infrarouge utilisant une puce photonique selon une réalisation.
    • [Fig. 5] illustre l'extraction d'un faisceau lumineux selon une réalisation.
  • Sur les dessins, des références identiques désignent des objets identiques ou similaires.
    • DESCRIPTION DÉTAILLÉE
  • figures 1A et 1B illustrent une puce photonique 1 selon un exemple de réalisation et les figures 2A et 2B illustrent une puce photonique 1 selon un autre exemple de réalisation.
  • La puce photonique 1 est une puce photonique d'éclairage, destinée à combiner des faisceaux lumineux appartenant au domaine de l'infrarouge pour l'éclairage d'une scène.
  • Dans la description, le terme d'infrarouge utilisé dans le texte fait référence à une partie du spectre lumineux appartenant à une bande spectrale allant de 0,78µm à 50µm, et préférentiellement allant de 2µm à 12µm.
  • La puce photonique 1 comprend un substrat 10. Le substrat 10 est un substrat silicium cristallin. L'épaisseur e du substrat est avantageusement comprise entre 100µm et 1,5mm, tel qu'il sera expliqué ci-après. Pour obtenir l'épaisseur e voulue, le substrat peut être aminci.
  • Le substrat 10 présente au moins une gravure 100 formant une gravure 100 du substrat 10, où la lumière est extraite hors de la puce photonique 1. Avantageusement, la scène à éclairer se trouve au niveau de la gravure 100 du substrat 10.
  • Comme visible sur les figures 1A et 1B, la gravure 100 peut être obtenue par une gravure anisotrope du substrat. Avantageusement, la gravure 100 forme un parallélogramme, avantageusement un carré, un rectangle ou un octogone, selon une vue de haut (figure 1A). Dans ce mode de réalisation, la gravure 100 du substrat correspond au carré vu de haut, formé par les gravures 100 du substrat 10.
  • Le principe de gravure anisotrope formant un octogone vu de haut est décrit dans l'article scientifique de Rola, Krzysztof P., Konrad Ptasiński, Adrian Zakrzewski, et Irena Zubel. 2014. « Silicon 45° Micromirrors Fabricated by Etching in Alkaline Solutions with Organic Additives ». Microsystem Technologies 20(2): 221-26.
  • Sur les figures 2A et 2B, la gravure 100 est obtenue par une gravure isotrope du substrat, de sorte que, vu de haut, la gravure 100 a une forme de cercle. Dans ce mode de réalisation, la gravure 100 du substrat correspond au cercle vu de haut, formé par les gravures 100 du substrat 10.
  • Dans ces deux modes de réalisation, la scène à éclairer se trouve au niveau de la gravure 100 du substrat, formée par les gravures 100.
  • La puce photonique comprend également au moins un guide d'onde 11, et de préférence une pluralité de guides d'onde 11. Les guides d'onde 11 sont des guides d'onde linéaires aptes à guider un faisceau lumineux F se propageant dans lesdits guides d'onde 11. Les guides d'onde 11 sont formés par un coeur 110 dans lequel circule le faisceau lumineux F et d'une gaine 111, assurant une différence d'indice optique souhaitée entre le coeur et le milieu entourant le coeur. S'agissant des guides d'onde illustrés, chaque guide comprend un coeur 110 intercalé entre deux gaines 111. Le faisceau lumineux F est guidé dans le coeur 110 par réflexions successives aux interfaces entre le coeur 110 et chacune des gaines 111 entre lesquelles le coeur 110 est intercalé.
  • Avantageusement, le coeur 110 des guides d'onde 11 sont en germanium et les gaines 111 sont en silicium germanium. Les guides d'onde 11 viennent s'inscrire sur le substrat 10. Dans une première configuration, les guides d'onde 11 sont configurés pour guider un seul faisceau lumineux d'une longueur d'onde particulière. Avantageusement, au moins deux guides d'onde 11 parmi la pluralité de guides d'onde sont configurés pour respectivement guider des faisceaux lumineux de longueurs d'onde différentes, de sorte que la puce photonique 1 est adaptée pour de l'éclairage multispectral dans l'infrarouge.
  • Selon une deuxième configuration, pouvant venir en alternative ou en addition à la première configuration décrite ci-avant, au moins un guide d'onde 11 ou une majorité de guides d'onde 11 ou tous les guides d'onde 11, sont aptes à guider plusieurs faisceaux lumineux F. Dans cette configuration, un guide d'onde 11 peut être apte à guider deux faisceaux lumineux de longueur d'onde identique ou de longueurs d'onde différentes, si les longueurs d'onde des faisceaux lumineux se propageant dans le guide sont proches. Dans un exemple, deux longueurs d'onde sont considérées comme proches si leur différence est inférieure ou égale à 0,3µm.
  • Avantageusement, les guides d'onde 11 sont monomodes pour toutes les longueurs d'onde des faisceaux lumineux F considérés. Plus précisément, les guides d'onde 11 sont monomodes à la plus petite longueur d'onde considérée.
  • Dans chaque guide d'onde est formé un réseau de diffraction dont le pas peut être constant ou variable, en fonction en fonction du type de la gravure. Pour une gravure isotrope, le pas est variable pour permettre d'obtenir en sortie du substrat un faisceau collimaté malgré un profil concave de la gravure. En revanche, pour une gravure anisotrope, un pas constant assure une collimation du faisceau car le profil de la gravure est alors droit.
  • Les guides d'onde 11 présentent une zone d'entrée 112 et une zone de sortie 113. Les guides d'onde 11 reçoivent un faisceau lumineux au niveau de leur entrée 112. Typiquement, un tel faisceau lumineux est injecté à partir d'un module d'illumination comprenant au moins une source lumineuse, qui sera décrite plus en détails ci-après. Le faisceau lumineux F se propage ensuite dans le guide d'onde tel que décrit ci-dessus jusqu'à la zone de sortie 113 au niveau de laquelle le faisceau lumineux va être extrait hors du guide d'onde 11.
  • La zone de sortie des guides d'onde correspond au réseau de diffraction associé au guide d'onde considéré, le réseau de diffraction permettant d'extraire le faisceau lumineux hors du guide d'onde, vers la gravure du substrat.
  • L'épaisseur de tous les guides d'onde 11 de la puce photonique 1 peuvent avoir la même épaisseur, pour une facilité de fabrication. L'épaisseur des guides d'onde 11 peut être comprise entre 500nm et 3µm.
  • Alternativement, les zones d'entrée et/ou de sortie 112, 113 des guides d'onde 11 peuvent avoir, en vue de dessus, une forme parallélépipédique rectangle, prismique ou adiabatique afin de faciliter l'injection de la lumière dans le guide d'onde ou son extraction. La largeur d'un guide d'onde 11 peut donc être variable au niveau de ses zones d'entrée et/ou de sortie 112, 113. Dans cette configuration et afin d'assurer la monomodalité du guide d'onde 11, la largeur du guide d'onde 11 dans sa partie la plus étroite est comprise entre 500nm et 3µm. Dans la partie la plus large du guide d'onde 11, la largeur du guide d'onde 11 est comprise entre la valeur de la largeur la plus étroite (par exemple 500nm) et la grandeur de la zone à éclairer.
  • Dans une réalisation, les guides d'onde 11 s'étendent linéairement dans un même plan, destiné à être parallèle à un plan P formé par la face gravée du substrat.
  • On entend par « plan P formée par la face gravée » la face plane du substrat dans laquelle la gravure a été effectuée. La gravure en elle-même n'est pas prise en compte dans la définition du plan P formé par la face gravée du substrat.
  • Selon une réalisation, les réseaux de diffraction de chaque guide d'onde 11 sont positionnées autour de la gravure du substrat 10 selon un plan de symétrie du substrat 10, ledit plan de symétrie étant perpendiculaire au plan formé par la face gravée du substrat.
  • Sur les figures 1A, 1B et 2A, 2B, les guides d'onde 11 sont entièrement positionnés de manière symétrique par rapport à la gravure 100 du substrat. En d'autres termes, les guides d'onde 11 s'étendent symétriquement depuis leur zone d'entrée 112 jusqu'à leur zone de sortie 113.
  • La figure 3 illustre une variante de réalisation, sur laquelle une puce photonique 1 est illustrée en vue de dessus. La puce photonique 1 comprend une gravure 100 obtenue par une gravure anisotrope du substrat, bien que la variante de réalisation de la figure 3 soit également applicable au cas où la gravure est obtenue par une gravure isotrope du substrat.
  • Dans cette variante, la puce photonique comprend, outre la pluralité de guides d'onde 11, un guide d'onde d'entrée 13. Ce guide d'onde d'entrée 13 est destiné à recevoir la pluralité de faisceaux lumineux F. La puce photonique comprend un démultiplexeur 14, associé au guide d'onde d'entrée 13. Le démultiplexeur 14 est configuré pour injecter au moins un faisceau lumineux dans chacun des guides d'onde 11 de la pluralité de guides d'onde 11 qui lui est associée. Tous les guides d'onde 11 s'étendent dans un même plan, destiné à être parallèle au plan (P) de la face gravée du substrat. Les réseaux de diffraction des guides d'onde sont positionnés autour de la gravure du substrat, selon un plan de symétrie de la gravure perpendiculaire au plan (P) formé par la face gravée du substrat.
  • Avantageusement, le nombre de guides d'onde 11 est égal au nombre de longueurs d'onde de la gamme de longueurs d'onde considérée. En variante, au moins un guide d'onde 11 peut être associé à deux longueurs d'onde différentes si elles sont proches, par exemple si la différence de longueurs d'onde est inférieure ou égale à 0,3µm.
  • Dans ce mode de réalisation, le guide d'onde d'entrée 13 est monomode pour la plus petite longueur d'onde considérée et, de ce fait, pour toute la gamme de longueurs d'onde considérée.
  • Avantageusement, l'épaisseur du guide d'onde d'entrée 13 et de la pluralité de guides d'onde 11 est la même, afin de faciliter la fabrication de la puce photonique 1. Le guide d'onde d'entrée 13 peut être de forme parallélépipédique rectangle ou prisme ou de forme adiabatique pour faciliter l'injection des faisceaux lumineux dans le guide d'onde d'entrée 13.
  • Le démultiplexeur 14 peut être de type AWG (« Arrayed Waveguide Grating », Réseau de guides d'onde en réseau en français) , de type PCG (« Planar Concave Grating », Réseau plan concave en français), de type MZI (« Mach-Zehnder Interferometer », Interféromètre de Mach-Zehnder en français) ou de type MMI (« MultiModal interférence coupler », Coupleur d'interférence multimode en français).
  • Dans tous les modes de réalisations décrits ci-avant, à chaque guide d'onde 11 est associé un réseau de diffraction 12 permettant l'extraction de la lumière hors du guide d'onde 11 associé. Chaque réseau de diffraction 12 est optimisé pour une longueur d'onde particulière. Les réseaux de diffraction 12 présentent des pas 120 pouvant être constants ou variables. L'ordre de grandeur des pas 120 des réseaux de diffraction 12 est compris entre le micron et quelques microns. Les pas 120 sont choisis pour permettre l'extraction du faisceau lumineux F hors du guide d'onde 11 associé au réseau de diffraction 12 considéré.
  • Il en résulte que les zones de sortie 113 des coeurs 110 des guides d'onde 11 correspondent aux zones où sont prévus les réseaux de diffraction 12.
  • Les faisceaux lumineux extraits par les réseaux de diffraction 12 hors des guides d'onde 11 sont dirigés vers la gravure 100 du substrat 10 de manière à atteindre la scène à éclairer.
  • D'après la loi de Snell-Descartes pour la réfraction, l'angle critique au-delà duquel les faisceaux lumineux issus de la réfraction des réseaux de réfraction 12 subiront le phénomène de réflexion totale interne et ne pourront effectivement sortir du substrat 10 et éclairer la scène vaut environ 17° dans la gamme de longueurs d'onde considérée, le silicium étant très peu dispersif dans l'infrarouge. Ainsi, les faisceaux lumineux issus de la diffraction des réseaux doivent être compris dans un cône d'angle de ± 17° par rapport à la normale au dioptre silicium/air.
  • Les faisceaux lumineux extraits par les réseaux de diffraction 12 se propagent équitablement dans deux directions opposées, vers le substrat 10 et vers la gaine 111 supérieure. Par conséquent, avantageusement, si l'angle d'extraction est supérieur à l'angle critique de 17° ou si la face gravée du substrat 10 est métallisée, l'épaisseur de la gaine 111 supérieure au niveau de la zone de sortie 113 du coeur 110 est déterminée de façon à obtenir, à la longueur d'onde d'utilisation, des interférences constructives entre le faisceau lumineux extrait de la gaine 111 supérieure et le faisceau lumineux issu de la réflexion sur la face gravée du substrat 10.
  • Pour permettre aux faisceaux lumineux d'être effectivement extraits du substrat 10 vers la scène à éclairer, l'angle de gravure du substrat dans le cas où la gravure est obtenue par une gravure anisotrope du substrat (figures 1A et 1B) est déterminé par les plans cristallins du silicium formant le substrat 10.
  • Par exemple, la gravure peut se faire sur les plans cristallins {111} en utilisant un substrat ·〈100〉 et l'angle de gravure est alors égal à 54,74°.
  • Selon un autre exemple, l'angle de gravure peut être égal à 45° en utilisant un substrat ·〈100〉.
  • Le pas 120 des réseaux de diffraction 12 peut alors être avantageusement constant et choisi de sorte qu'à la longueur d'onde d'utilisation l'angle d'extraction après réfraction est égal à l'angle d'incidence souhaité sur la scène à éclairer qui est destinée à se trouver au niveau de la gravure du substrat, voir figure 4.
  • Le pas 120 des réseaux de diffraction 12 est alors choisi suivant :
    p = λ n eff − n SiGe sin θ SiGe ,
    Figure imgb0001
  • Où λ est la longueur d'onde d'utilisation ou la longueur d'onde d'utilisation médiane, neff est l'indice effectif du mode à la longueur d'onde λ, nSiGe est l'indice de la gaine 111 en Silicium Germanium et θSiGe est l'angle d'extraction considéré dans le Silicium Germanium. Pour obtenir l'angle d'extraction dans l'air θair, il suffit d'utiliser la loi de Snell-Descartes.
  • Dans cette variante, puisque les faisceaux lumineux extraits par les réseaux de diffraction 12 sont collimatés, la longueur des réseaux de diffraction 12 dépend de la longueur caractéristique de la surface à éclairer et de l'angle d'extraction θair.
  • Cette réalisation est illustrée sur la figure 5.
  • Dans un cas particulier, si l'angle d'extraction des réseaux de diffraction 12 est choisi de telle sorte à ce que le faisceau lumineux arrive perpendiculairement sur les flancs de la gravure 100, alors la longueur des réseaux de diffraction 12 est égale à la longueur caractéristique de la surface de la scène à éclairer.
  • Optionnellement, les flancs de la gravure 100 obtenue par une gravure anisotrope du substrat peuvent être traités antireflet pour limiter les pertes de Fresnel à l'interface Silicium/air. Le traitement antireflet appliqué est par exemple un dépôt d'une fine couche de ZnS. L'antireflet est optimisé pour une longueur d'onde particulière de la gamme de longueurs d'onde d'utilisation, par exemple la longueur d'onde médiane d'utilisation. L'épaisseur de la couche antireflet est par exemple égale à un quart de la longueur d'onde d'utilisation médiane, typiquement entre 1 et 3µm.
  • Considérant le cas où la gravure est obtenue par une gravure isotrope du substrat (figures 2A et 2B), le profil de la gravure 100 visible sur la figure 2B est courbe, concave et divergent. Le profil n'est pas complètement circulaire car la gravure 100 est plus efficace dans la direction verticale que dans la direction horizontale.
  • Avantageusement, dans ce mode de réalisation le pas 120 des réseaux de diffraction 12 n'est pas constant et l'angle d'extraction θSiGe n'est pas non plus constant, afin d'obtenir un faisceau lumineux collimaté hors du substrat 10 en tenant compte du dioptre concave de la face gravée, agissant comme une lentille divergente.
  • Le pas 120 des réseaux 12 est choisi de telle sorte qu'à la longueur d'onde d'utilisation et à chaque motif des réseaux de diffraction 12, l'angle d'extraction après réfraction est égal à l'angle d'incidence souhaitée sur la scène. Le pas 120 variable est alors choisi grâce à la loi des réseaux au premier ordre.
  • Dans cette variante, la longueur des réseaux de diffraction 12 dépend de la longueur caractéristique de la surface de la scène à éclairer, de l'angle d'extraction θair et du profil de la gravure 100 lorsqu'elle est obtenue par une gravure isotrope du substrat.
  • Notamment, l'ordre de grandeur du pas 120 variable des réseaux 12 pour les longueurs d'onde considérées est le micron, voire quelques microns. Pour chaque variante de gravures, le facteur de remplissage est déterminé de façon à homogénéiser l'éclairement sur la scène en compensant la loi exponentielle du principe de Beer-Lambert. Le facteur de remplissage est choisi croissant en fonction de la position du motif des réseaux 12, dans le sens de la propagation de la lumière.
  • Optionnellement, les flancs de cette gravure 100 peuvent être traités antireflet pour limiter les pertes de Fresnel à l'interface du substrat en silicium et de l'air. Le traitement antireflet appliqué est par exemple un dépôt d'une fine couche de ZnS. L'antireflet est optimisé pour une longueur d'onde particulière de la gamme de longueurs d'onde d'utilisation, par exemple la longueur d'onde médiane d'utilisation. L'épaisseur de la couche antireflet est par exemple égale à un quart de la longueur d'onde d'utilisation médiane, typiquement entre 1 et 3µm.
  • La figure 4 illustre un système d'imagerie infrarouge 2 comprenant une puce photonique 1 telle que décrite ci-avant. La puce photonique illustrée comprend une gravure 100 formée par une gravure anisotrope du substrat, bien que tous les modes de réalisation décrits ci-avant soient applicables au système 2.
  • Le système 2 permet d'imager une surface d'une scène 20.
  • Le système 2 comprend au moins un module d'illumination envoyant des faisceaux lumineux F dans le domaine de l'infrarouge dans la gamme de longueurs d'onde considérée (entre 2µm et 12µm). Le module d'illumination comprend au moins une source lumineuse 21, et avantageusement une pluralité de sources lumineuses, chacune apte à émettre au moins un faisceau lumineux. Les sources lumineuses 21 peuvent être des lasers à cascade quantique (QCL), des lasers à cascade interbande (ICL), à cavité externe ou interne. Au moins deux faisceaux lumineux ont des longueurs d'onde différentes, permettant une application multispectrale.
  • Il y a, avantageusement, au moins un faisceau lumineux injecté par guide d'onde 11. Dans une application particulière, plusieurs faisceaux lumineux peuvent être injectés dans un guide d'onde si leurs longueurs d'onde respectives sont proches. Dans un exemple, deux longueurs d'onde sont considérées comme proches si leur différence est inférieure ou égale à 0,3µm.
  • Le système 2 comprend en outre un module d'imagerie infrarouge 22. Le module 22 peut comprendre une rétine, par exemple une matrice de photodétecteurs infrarouge tels qu'une matrice de photodiodes à semi-conducteurs ou une matrice de microbolomètres. Les dimensions latérales du module 22 sont de l'ordre du millimètre ou de quelques millimètres. Le module 22 est avantageusement situé à une courte distance de travail, WD, comprise entre 100µm et 1,5mm, de manière à réaliser une image de la scène à éclairer 20 et ce, sans lentille ou autre système optique de formation d'image. La distance de travail WD est définie comme la distance entre la scène 20 et le module 22.
  • La puce photonique 1 telle que décrite permet de combiner les faisceaux lumineux provenant des sources lumineuses 21 et de les amener vers la scène 20 pour l'éclairer de façon homogène sur sa surface.
  • Avantageusement, la surface de la scène 20 à éclairer est de l'ordre de grandeur des dimensions latérales du module d'imagerie 22, soit de l'ordre du millimètre ou de quelques millimètres.
  • Comme visible sur la figure 4, la puce photonique 1 est située entre la scène 20 et le module 22. La surface à éclairer de la scène 20 est plus particulièrement située au niveau de la gravure 100 du substrat 10 de la puce photonique 1.
  • Avantageusement, l'épaisseur de la puce photonique dans le système 2 illustré est égale à la distance de travail WD, de sorte que la puce photonique 1 est apte à servir d'entretoise entre le module d'imagerie 22 et la scène 20.
  • Considérant la fabrication de la puce photonique 1, celle-ci est réalisée par des moyens connus. Notamment, un substrat de silicium cristallin est fourni qui peut être aminci pour atteindre la distance de travail WD souhaitée. Des épitaxies en Silicium Germanium, pour une première gaine 111, et en Germanium, pour le coeur 110, sont réalisées. Un polissage mécano-chimique peut ensuite être réalisé. Puis, une gravure partielle anisotrope du Germanium est réalisée pour obtenir les réseaux de diffraction 12. Une épitaxie de Silicium Germanium est ensuite réalisée pour obtenir la deuxième gaine 111 entourant le coeur 110. Une gravure anisotrope de l'empilement des gaines 111 et du coeur 110 est réalisée. L'empilement général est retourné, puis une gravure 100 anisotrope ou isotrope du substrat 10 silicium est réalisée.

Claims (12)

  1. Puce photonique pour l'éclairage d'une scène, la puce photonique comprenant :
    - un substrat (10) comprenant une face avec une gravure (100),
    - une pluralité de guides d'onde s'étendant parallèlement à un plan formé par la face gravée du substrat (10), chaque guide d'onde (11) étant configuré pour guider au moins un faisceau lumineux,
    - une pluralité de réseaux de diffraction (12), chaque réseau de diffraction (12) étant respectivement formé dans un guide d'onde (11) de la pluralité de guides d'onde et chaque réseau de diffraction (12) étant configuré pour extraire, hors du guide d'onde (11) dans lequel il est formé et vers la gravure (100) du substrat (10), le faisceau lumineux se propageant dans ledit guide d'onde (11),
    au moins deux guides d'onde étant configurés pour recevoir des faisceaux lumineux de longueurs d'onde différentes,
    et dans laquelle la gravure (100) du substrat (10) est configurée pour extraire les faisceaux lumineux hors du substrat (10), vers la scène à éclairer, ladite scène se trouvant contre la face gravée du substrat (10) et au niveau de la gravure (100) du substrat (10).
  2. Puce photonique selon la revendication 1, dans laquelle la gravure (100) du substrat (10) est configurée pour être formée par une gravure isotrope du substrat (10), de sorte que la gravure (100) forme un cercle selon une vue de dessus du substrat (10).
  3. Puce photonique selon la revendication 1, dans laquelle la gravure (100) du substrat (10) est configurée pour être formée par une gravure anisotrope du substrat (10), de sorte que ladite gravure (100) du substrat (10) forme un polygone selon une vue de dessus du substrat (10).
  4. Puce photonique selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle chaque réseau de diffraction (12) est positionné autour de la gravure (100) du substrat (10) selon un plan de symétrie dudit substrat (10), ledit plan de symétrie étant perpendiculaire au plan formé par la face gravée du substrat (10).
  5. Puce photonique selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre un guide d'onde d'entrée (13) dans lequel tous les faisceaux lumineux sont destinés à être injectés, la puce photonique comprenant en outre au moins un démultiplexeur (14) configuré pour démultiplexer les faisceaux lumineux en sortie du guide d'onde d'entrée (13) de manière à injecter au moins un faisceau lumineux dans au moins deux guide d'onde (11) de la pluralité de guides d'onde.
  6. Puce photonique selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant en outre une pluralité de guides d'onde d'entrée dans chacun desquels une partie des faisceaux lumineux est destinée à être injectés, la puce photonique comprenant en outre autant de démultiplexeurs (14) que de guides d'onde d'entrée, chaque démultiplexeur (14) étant associé à un guide d'onde d'entrée (13), les démultiplexeurs (14) étant configurés pour démultiplexer les faisceaux lumineux en sortie du guide d'onde d'entrée (13) de manière à injecter au moins un faisceau lumineux dans des guides d'onde (11) de la pluralité de guides d'onde.
  7. Puce photonique selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les guides d'onde sont destinés à recevoir des faisceaux lumineux appartenant au domaine du moyen-infrarouge.
  8. Puce photonique selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle au moins un guide d'onde (11) parmi la pluralité de guides d'onde est configuré pour recevoir au moins deux faisceaux lumineux de longueurs d'onde différentes.
  9. Système d'imagerie comprenant :
    ∘ une puce photonique selon l'une des revendications précédentes,
    ∘ au moins un module d'illumination (21) configuré pour émettre une pluralité de faisceaux lumineux appartenant, dans laquelle au moins deux faisceaux lumineux parmi la pluralité de faisceaux lumineux ont des longueurs d'onde différentes, les faisceaux lumineux étant injectés dans les guides d'onde de la puce photonique,
    ∘ une scène, ladite scène se trouvant au niveau de la gravure (100) du substrat (10), et
    ∘ un module d'imagerie.
  10. Système d'imagerie infrarouge selon la revendication 9, dans lequel la puce photonique est d'une épaisseur égale à une distance de travail entre le module d'imagerie et la scène.
  11. Système d'imagerie selon la revendication 9 ou 10, dans lequel la distance de travail entre le module d'imagerie et la scène est du même ordre de grandeur qu'une longueur d'une surface à éclairer de la scène, la distance de travail étant comprise entre 100µm et 1,5mm.
  12. Système d'imagerie selon l'une des revendications 9 à 11, dans lequel les faisceaux lumineux appartiennent au domaine de l'infrarouge.
EP23210351.5A 2022-11-18 2023-11-16 Puce photonique et système d'imagerie infrarouge utilisant une telle puce photonique Active EP4372435B1 (fr)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2212044A FR3142266B1 (fr) 2022-11-18 2022-11-18 Puce photonique et système d’imagerie infrarouge utilisant une telle puce photonique

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP4372435A1 true EP4372435A1 (fr) 2024-05-22
EP4372435B1 EP4372435B1 (fr) 2025-12-31

Family

ID=86468800

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP23210351.5A Active EP4372435B1 (fr) 2022-11-18 2023-11-16 Puce photonique et système d'imagerie infrarouge utilisant une telle puce photonique

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20240168233A1 (fr)
EP (1) EP4372435B1 (fr)
FR (1) FR3142266B1 (fr)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9588289B1 (en) * 2016-01-20 2017-03-07 International Business Machines Corporation Cointegration of optical waveguides, microfluidics, and electronics on sapphire substrates
FR3061553A1 (fr) * 2017-01-02 2018-07-06 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Dispositif de detection de gaz ou de particules et procede de fabrication d'un tel dispositif
EP4016054A1 (fr) 2020-12-21 2022-06-22 Commissariat À L'Énergie Atomique Et Aux Énergies Alternatives Composant optique pour un dispositif d'imagerie atr
EP4016053A1 (fr) 2020-12-21 2022-06-22 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Composant optique pour un dispositif d'imagerie interférométrique

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9588289B1 (en) * 2016-01-20 2017-03-07 International Business Machines Corporation Cointegration of optical waveguides, microfluidics, and electronics on sapphire substrates
FR3061553A1 (fr) * 2017-01-02 2018-07-06 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Dispositif de detection de gaz ou de particules et procede de fabrication d'un tel dispositif
EP4016054A1 (fr) 2020-12-21 2022-06-22 Commissariat À L'Énergie Atomique Et Aux Énergies Alternatives Composant optique pour un dispositif d'imagerie atr
EP4016053A1 (fr) 2020-12-21 2022-06-22 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Composant optique pour un dispositif d'imagerie interférométrique

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ROLA, KRZYSZTOF P.KONRAD PTASINSKIADRIAN ZAKRZEWSKIIRENA ZUBEL: "Silicon 45° Micromirrors Fabricated by Etching in Alkaline Solutions with Organic Additives", MICROSYSTEM TECHNOLOGIES, vol. 20, no. 2, 2014, pages 221 - 26

Also Published As

Publication number Publication date
FR3142266B1 (fr) 2024-11-29
US20240168233A1 (en) 2024-05-23
FR3142266A1 (fr) 2024-05-24
EP4372435B1 (fr) 2025-12-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3610309B1 (fr) Puce photonique à structure de collimation intégrée
EP3521879A1 (fr) Puce photonique à structure de collimation intégrée
EP3607585B1 (fr) Dispositif et procede d'imagerie multispectrale dans l'infrarouge
EP4102273B1 (fr) Composant optique intégré présentant un faisceau de lumière élargi
FR3027689A1 (fr) Structure de couplage lumineux et dispositif optique comprenant un coupleur a reseau
EP3339924A1 (fr) Circuit photonique integre optimise
EP4016054B1 (fr) Composant optique pour un dispositif d'imagerie atr
EP0836103A1 (fr) Dispositif de connexion pour fibre optique multicoeur, à base d'éléments optiques en espace libre
FR3075463A1 (fr) Capteur d'image, permettant d'obtenir une information relative a la phase d'une onde lumineuse.
EP4016053A1 (fr) Composant optique pour un dispositif d'imagerie interférométrique
EP3513230B1 (fr) Dispositif de couplage optique
FR2655430A1 (fr) Coupeur optique et systeme informatique a processeurs repartis.
EP3855068A1 (fr) Dispositif de projection distribuée de lumière
EP4372435B1 (fr) Puce photonique et système d'imagerie infrarouge utilisant une telle puce photonique
WO2021240115A1 (fr) Dispositif de répartition de lumière basé sur des réseaux de diffraction
EP4016055B1 (fr) Composant optique pour un dispositif interférometrique d'imagerie atr
EP3916441B1 (fr) Dispositif de répartition de lumière basé sur un guide d'onde planaire
EP3968066B1 (fr) Guide d'onde comportant une fibre optique multimode et adapte a concentrer spatialement les modes guides
EP3751258B1 (fr) Dispositif et procédé d'observation d'un échantillon fluorescent
EP4034923B1 (fr) Système optique et procédé de réalisation
WO2024105194A1 (fr) Dispositif de détection photoacoustique
EP4345446B1 (fr) Dispositif d'imagerie multispectrale en reflexion
EP3936912A1 (fr) Dispositif de démultiplexage en longueur d'onde notamment pour un démultiplexage hors plan
FR3130406A1 (fr) Emetteur optoélectronique à antenne réseau à commande de phase où chaque antenne optique présente une large surface d’émission

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN PUBLISHED

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

RAP3 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIESALTERNATIVES

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20241031

RBV Designated contracting states (corrected)

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: GRANT OF PATENT IS INTENDED

RIC1 Information provided on ipc code assigned before grant

Ipc: G01J 3/28 20060101ALN20250523BHEP

Ipc: G01J 3/02 20060101ALN20250523BHEP

Ipc: G01J 3/10 20060101ALN20250523BHEP

Ipc: G02B 6/12 20060101ALN20250523BHEP

Ipc: G02B 6/136 20060101ALI20250523BHEP

Ipc: G01N 21/00 20060101ALI20250523BHEP

Ipc: G02B 6/34 20060101ALI20250523BHEP

Ipc: G02B 6/124 20060101AFI20250523BHEP

RIC1 Information provided on ipc code assigned before grant

Ipc: G01J 3/28 20060101ALN20250605BHEP

Ipc: G01J 3/02 20060101ALN20250605BHEP

Ipc: G01J 3/10 20060101ALN20250605BHEP

Ipc: G02B 6/12 20060101ALN20250605BHEP

Ipc: G02B 6/136 20060101ALI20250605BHEP

Ipc: G01N 21/00 20060101ALI20250605BHEP

Ipc: G02B 6/34 20060101ALI20250605BHEP

Ipc: G02B 6/124 20060101AFI20250605BHEP

INTG Intention to grant announced

Effective date: 20250620

GRAS Grant fee paid

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR3

GRAA (expected) grant

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE PATENT HAS BEEN GRANTED

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: B1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

REG Reference to a national code

Ref country code: CH

Ref legal event code: F10

Free format text: ST27 STATUS EVENT CODE: U-0-0-F10-F00 (AS PROVIDED BY THE NATIONAL OFFICE)

Effective date: 20251231

Ref country code: GB

Ref legal event code: FG4D

Free format text: NOT ENGLISH

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R096

Ref document number: 602023010406

Country of ref document: DE

REG Reference to a national code

Ref country code: IE

Ref legal event code: FG4D

Free format text: LANGUAGE OF EP DOCUMENT: FRENCH

REG Reference to a national code

Ref country code: LT

Ref legal event code: MG9D

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: NO

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20260331

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: FI

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20251231

Ref country code: HR

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20251231

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: RS

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20260331

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: LV

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20251231